Analogtechnik & Mixed Signal Die Integration von A/D-Wandlern differenziert ASICs

Autor / Redakteur: Dr. Mike Coulson * / Kristin Rinortner

In den meisten Anwendungen in der Industrie oder im Automotive- Bereich sind integrierte A/D-Wandler kostengünstiger, kleiner und einfacher zu handhaben als ein konventioneller Baustein.

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ASICs: Integrierte A/D-Wandler haben im Vergleich zu diskreten Lösungen mehrere Vorteile. Wann ist jedoch welche Lösung geeignet?
ASICs: Integrierte A/D-Wandler haben im Vergleich zu diskreten Lösungen mehrere Vorteile. Wann ist jedoch welche Lösung geeignet?
(Bild: © Serggod - Fotolia)

Analog/Digital-Wandler sind das Verbindungsglied zwischen dem digitalen und dem analogen Bereich und sind in modernen Sensorensystemen unentbehrlich. Unsere Kunden verlangen in zunehmendem Maß danach, dass A/D-Wandler in ihre Mixed-Signal ASICs integriert werden, da dies bedeutende Vorteile hinsichtlich Kosten, Energieverbrauch und Dimensionierung mit sich bringt. Um diese möglichen Vorteile voll auszunutzen, müssen sowohl ASIC-Anbieter als auch die Kunden über einiges Knowhow verfügen.

Bevor das eigentliche Design beginnt, ist es wichtig zu verstehen, was von einem A/D-Wandler erwartet wird. Der ASIC-Designer ist nicht darauf beschränkt bereits verfügbare Komponenten zu verwenden, sondern kann stattdessen die Schaltkreise derartig verbessern, dass die geforderten Leistungen möglichst effizient und kostengünstig erzielt werden können. Ein besseres Verständnis der nachstehenden Grundlagen kann daher die Designarbeiten mit dem A/D-Wandler- Anbieter deutlich beschleunigen.

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Statische Kennwerte beschreiben die Einheitlichkeit der Schaltspannungen und des Spannungsbereiches per Codewort eines A/D-Wandlers. Die Schaltspannungen sind dabei die niedrigsten Eingangsspannungen, mit denen jedes Codewort am Ausgang erzielt werden kann, während es sich bei den Spannungsbereichen um die Differenz zwischen benachbarten Schaltspannungen handelt. Die wichtigsten Messwerte sind dabei die differenzielle Nichtlinearität (DNL) und die integrale Nichtlinearität (INL).

DNL beschreibt Anomalien in den Breiten der Spannungsbereiche im Vergleich zu Durchschnittswerten, wohingegen die INL aufzeigt, wo die Schaltspannungen von den idealen, linear verteilten Schaltspannungen abweichen.

Die gängigsten Messungen der dynamischen Kennwerte beschreiben die spektrale Reinheit der A/D-Wandlungsergebnisse, wenn ein Sinussignal umgewandelt wird.

Dazu gehören das Signal-Rausch-Verhältnis SNR, auch Rauschabstand genannt (engl. Signal to noise ratio), die gesamte harmonische Verzerrung THD (engl. Total Harmonic Distortion), das Signal-Rausch/Signal-Verzerrungsverhältnis SINAD (engl. Signal to noise and distortion ratio) sowie die effektive Anzahl von Bits ENOB (engl. Effective number of bits). Von diesen sind SINAD und ENOB zweifelsohne die Nützlichsten, da sie sowohl zufällige, als auch harmonische Fehler im A/D-Wandler beschreiben.

Ungenauigkeiten bei der A/D-Wandlung

Maßgeblichen Anteil an der Ungenauigkeit bei der A/D-Wandlung hat das Quantisierungsrauschen – dem unvermeidlichen Unterschied zwischen dem quantisierten, digitalen Ergebnis eines idealen A/D-Wandlers und dem analogen Eingangswert. Die allgemein bekannte Gleichung 1 liefert das maximal realisierbare SINAD für eine beliebige Auflösung N, wobei N in Bit angegeben wird:

SINADmax [dB] = 6,02 N + 1,76 (Gleichung 1)

Wenn zusätzlich zum Quantisierungsrauschen auch noch Mängel im Schaltkreis weitere Störungen beitragen, kann die tatsächliche SINAD als intuitive Quantität ausgedrückt werden, die als effektive Anzahl von Bits angegeben wird (ENOB). ENOB ist dabei die Auflösung, die von einem idealen Umwandler erzielt werden würde, der mit Quantisierungsrauschen allein die gleichen Werte hinsichtlich Rauschen und Verzerrung erzielt. ENOB wird durch die Umformung der Gleichung 1 ermittelt:

ENOB = (SINAD [dB] – 1,76) / 6,02 (Gleichung 2)

ENOB und SINAD sind häufig die wesentlichen Messungen, da sie die Probleme bei realistischen Eingabefrequenzen quantifizieren und unberechenbare Einflüsse wie Wärmerauschen einbeziehen.

Die Vorteile eines integrierten Ansatzes

Integrierte A/D-Wandler haben im Vergleich zu diskreten A/D-Wandlern mehrere Vorteile: Erstens besteht kein Bedarf für einen separaten A/D-Wandler, was das System kleiner und mechanisch robuster macht. Obwohl dies bedeutet, dass mehr Silizium im ASIC benötigt wird, ist dieser Mehrbedarf relativ gering und eine Anpassung des Gehäuses ist nicht unbedingt erforderlich.

Der zweite und offensichtlichste Vorteil ist, dass Kosten für separate A/D-Wandler entfallen. Chipdesignkosten steigen, aber nicht sehr, vorausgesetzt, dass der Anbieter Erfahrung hat und über ein Portfolio von Schaltungen verfügt, dem Elemente entnommen werden können.

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Drittens erfolgt die Wahl diskreter A/D-Wandler aus einem beschränkten Angebot von verfügbaren Bauteilen, so dass es durchaus möglich ist, dass geeignete Bauteile in einigen Bereichen überentwickelt sind, nur um in anderen die erforderlichen Leistungen zu liefern. Dies steigert Kosten und Energieverbrauch.

Letztendlich bietet die Kombination von analogen und digitalen Funktionen auf einem einzelnen Chip die Möglichkeit, den gesamten Signalpfad von einem einzigen ASIC-Anbieter zu beziehen. Ein komplettes System, vom Vorverstärker bis hin zur digitalen Signalbearbeitung, kann komplett modelliert und simuliert werden, und unterliegt der Verantwortung eines einzigen Unternehmens.

Einige A/D-Wandler-Architekturen bieten hohe Wandlungsgeschwindigkeiten, während andere zwar auf niedrige Bandbreiten beschränkt sind, jedoch gleichzeitig enorme Genauigkeit offerieren. Die vier wichtigsten Wandlerarten sind Flash, Pipeline, SAR (sukzessive Approximation) und Sigma-Delta. Häufig werden sie in Vergleichsdiagrammen mit Bandbreite und Auflösung wie in Bild 1 dargestellt.

Typen und Anwendungen von A/D-Wandlern

In n-Bit Flash A/D-Wandlern (Bild 2) wird das Eingangssignal parallel an 2n-1 Komparatoren geführt und mit mehrstufigen Referenzspannungen verglichen, die den gesamte Eingangsspannungsbereich abdecken. Die Komparatoren dekodieren die Ergebnisse und wandeln diese in einen n-Bit-Binärkode um. Die Architektur ist extrem schnell, aber selbst ein 8-Bit-A/D-Wandler benötigt 255 Komparatoren. Das bedeutet, dass Flash-Wandler groß sind und gleichzeitig viel Energie verbrauchen.

Stufenwandler erzielen moderate Auflösungen bei relativ hohen Bandbreiten, da jede Umwandlung in mehreren Schritten erfolgt (Bild 3). Jede Stufe quantifiziert die Eingabe detaillierter und generiert Entscheidungen für ein oder mehrere Bits. Da die Schritte simultan durchlaufen werden, benötigen auch diese A/D-Wandler viel Platz und Energie.

SAR A/D-Wandler eignen sich am besten für mittlere Bandbreiten mit Auflösungen von 10 bis 14 Bit. In SAR A/D-Wandlern wird das Ausgabesignal iterativ ermittelt. Mit jeder Iteration wird das Codewort von einem internen D/A-Wandler umgewandelt und mit der Eingangsspannung des A/D-Wandlers verglichen (Bild 4). Die Güte der Auflösung wird durch die Genauigkeit der internen D/A-Wandler und das Wärmerauschen beschränkt.

Wenn hohe Auflösungen erforderlich, aber niedrige Bandbreiten akzeptabel sind, kommen Sigma-Delta-A/D-Wandler zum Einsatz. Bei diesen wird Überabtastung eingesetzt. Bei der n-fachen Abtastfrequenz wird die Auflösung und Genauigkeit des Wandlers erhöht und die Rauschenergie verteilt sich auf einen breiteren Frequenzbereich.

Weil der Wandler nur 1 Bit verwendet, führen die überabgetasteten Ergebnisse zu der in Bild 5 gezeigten digitalen Pulssequenz. Da die Stabilität eines Sigma-Delta-Wandlers nicht immer garantiert ist, kann die Schaltung aufwendige Modellierung erfordern. Hier sind sowohl Fähigkeiten als auch Erfahrung des ASIC-Anbieters erforderlich, um einen Erfolg zu garantieren.

Herausforderungen bei der Integration von A/D-Wandlern

On-chip Datenumwandlung ist keineswegs einfach und besondere Vorsicht ist geboten, wenn die empfindlichen analogen Schaltkreise neben Rauschen produzierender Digitallogik platziert werden. Eine sorgfältige Planung der Spannungsversorgung kann beispielsweise verhindern, dass digitale Schaltvorgänge auf den analogen Signalpfad einwirken. Ein weiterer Störfaktor ist das Siliziumsubstrat; digitale Vorgänge können zu erheblichen Spannungsstörungen führen. Empfindliche Schaltkreise werden häufig in isolierten Wannen gefertigt und an reine Analogversorgungen angeschlossen (Bild 6).

Weitere Komplikationen treten auf, wenn große ASICs in Fertigungsprozessen mit kleinen Geometrien hergestellt werden. Derartige Prozesse eignen sich nicht für analoge Schaltungen: Versorgungsspannungen sind niedrig, Leckströme sind hoch und die Möglichkeiten, Komponenten aufeinander abzustimmen, sind beschränkt.

Dennoch bieten erfahrene ASIC-Anbieter erprobte und bewährte Designs für kritische Schaltungen an, die ausgereift sind und über viele Design-Zyklen optimiert wurden. Kompromisse sind jedoch immer noch die Regel und vollintegrierte A/D-Wandler erreichen noch immer nicht die Leistungen der besten diskreten Einheiten.

Unterm Strich – integrieren oder nicht?

Für Applikationen, in denen die absolut beste Leistung erforderlich ist, ist eine Integration wahrscheinlich nicht angebracht. In den meisten Anwendungen in der Industrie oder im Automotive-Bereich sind integrierte A/D-Wandler jedoch kostengünstiger, kleiner und einfacher zu handhaben als ein konventioneller Chip.

Obwohl mehr Siliziumfläche und ASIC-Designarbeit erforderlich sind sollten diese Kosten die Nettovorteile nicht beeinträchtigen. Man sollte daran denken, dass, wenn A/D-Wandler integriert werden, andere Elemente der analogen Signalkette ebenfalls entfallen können; somit vermehren sich die Vorteile: Ein ASIC-Anbieter ist für den gesamten Signalpfad verantwortlich und das Herstellungstestverfahren qualifiziert alle enthaltenen Elemente.

* Dr. Mike Coulson arbeitet als ASIC-Designer bei Swindon Silicon Systems in Swindon, UK.

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